組合夾具虛擬裝配教學實驗系統(tǒng)的開發(fā)與研究＊

周 樂，王 偉，董加歸，劉 葵

（武昌工學院，湖北 武漢 430065）

0 引言

組合夾具作為工藝過程的裝備之一，其性能的優(yōu)劣將直接影響加工零件的形狀精度和位置精度。為了節(jié)約材料、減少產(chǎn)品的不合格率、提高生產(chǎn)效率，需在夾具生產(chǎn)前，在虛擬裝配實驗系統(tǒng)中進行方案比較、綜合分析及修改，以得到最終適合生產(chǎn)需要的結構。夾具虛擬裝配教學實驗系統(tǒng)的開發(fā)，為虛擬裝配技術走向?qū)嶋H化應用提供了有力的基礎。

1 虛擬裝配教學實驗系統(tǒng)設計體系

虛擬裝配是虛擬制造和實踐教學的重要組成部分，也是整個虛擬裝配教學過程的一個關鍵技術，它將設計過程、裝配過程有機結合，使產(chǎn)品設計具有良好的結構性，且能高效地進行模擬裝配。通過Solid－Works、UG、Pro／E等軟件完成夾具零件的實體建模、實體裝配、干涉檢查和動態(tài)仿真等一系列進程，使組合夾具在虛擬裝配系統(tǒng)中的設計過程與裝配過程達到高度統(tǒng)一化和真實化。

組合夾具虛擬裝配系統(tǒng)是根據(jù)夾具產(chǎn)品形狀設計合理化、精度要求準確化、模擬裝配真實化、制造成本經(jīng)濟化等原則，在Solid Works平臺上對模型進行合理有效的控制處理來實現(xiàn)組合夾具互換裝配、動態(tài)仿真以及場景設計而開發(fā)的，其具體設計體系如圖1所示。

2 虛擬裝配實驗系統(tǒng)的構成

組合夾具是由夾具零部件標準化演變過來的，它由不同形式、不同規(guī)格的標準件組合而成。在組合夾具的設計制造過程中，由于這些組件要求配合精度高、尺寸浮動小、耐磨性好、硬度高并且具有完全的互換性，因此組合夾具零件庫的基本組件數(shù)量繁多，為提高效率，方便檢索標準件，將其進行分類，如圖2所示。

圖1 組合夾具虛擬裝配教學實驗系統(tǒng)設計體系

圖2 組合夾具零件庫的組成和分類

2.1 組合夾具虛擬裝配的精確定位

虛擬裝配環(huán)境是模擬真實的裝配過程，其通過軟件Solid Works操作待裝配零件，使其按照規(guī)定的軌跡運動，以到達裝配位置。在虛擬空間中，系統(tǒng)應自動捕捉設計者的意圖，按照要求確認裝配關系進行干涉分析，并最終實現(xiàn)待裝配件的精確定位。零件精確定位過程見圖3。

為實現(xiàn)裝配的精確定位，夾具元件之間裝配關系的確定是非常重要的。由于組合夾具元件能滿足高度標準化的要求，其一般按照特定方法相互連接，裝配成滿足使用要求的三維實體夾具結構。夾具元件之間的表面通常具有元件連接的基本功能，并提供元件的相互連接，這種表面之間的相互特征視為裝配特征。根據(jù)日常要求把裝配特征分為平面型、銷型、槽型和孔型4類。

圖3 零件精確定位過程

在組合夾具的裝配過程中，元件間的裝配關系并非是任意的，通常受到一定的約束，但不能出現(xiàn)欠定位情況。一般應避免不完全定位、過定位現(xiàn)象。圖4為組合夾具元件常用的幾種裝配關系。

圖4 組合夾具元件常用的裝配關系

2.2 組合夾具的檢測

在產(chǎn)品設計過程中，當各零部件組裝完成后，設計者最關心的就是各零部件之間的干涉情況，使用Solid Works中的“干涉檢查”命令就可以幫助用戶了解到這些信息。

Solid Works中裝配體的干涉檢查分為靜態(tài)干涉檢查和動態(tài)干涉檢查，靜態(tài)干涉檢查是指在特定裝配結構形式下檢查裝配體的各組件之間的相對位置關系是否存在干涉；而動態(tài)干涉是檢查裝配體或裝配體組件在運動過程中是否存在運動干涉。通過干涉檢查可以發(fā)現(xiàn)元件在裝配體中的不正確結構，然后根據(jù)裝配體的結構和元組件的干涉情況更換元件規(guī)格或調(diào)整裝配位置。

3 虛擬裝配系統(tǒng)在教學中的應用案例

本文以成組車孔夾具為例簡述虛擬裝配在教學中的應用過程。

3.1 調(diào)用零件

案例中的成組車孔夾具中的零件分標準件和非標準件，其中標準件可直接在Solid Works自帶的標準件庫中調(diào)?。ㄒ妶D5），非標準件則需在自己建立的夾具部件庫中調(diào)取。

3.2 零件裝配

裝配是將多個相關零件組合成具有獨特功能的產(chǎn)品的一道重要工序，任何零件在空間都有6個自由度，裝配實質(zhì)是限制零件自由度的過程。對于緊固的零件主要用到平面重合（見圖6）、孔的同軸（見圖7）；對于滑塊類的零件就需要定義其可運動范圍（見圖8）；對于螺紋類零件還會用到螺旋配合等。

圖5 標準件零件調(diào)用

圖6 平面重合

圖7 孔的同軸

3.3 快速碰撞檢測

在實際的裝配教學過程中，我們依據(jù)設計要求按照圖紙裝配，但沒考慮到元件的實際運動關系，可能導致元件發(fā)生相互碰撞和穿透。為使虛擬環(huán)境更加逼真，因此需要對組合夾具的組裝進行檢測。

對移動或旋轉(zhuǎn)零部件時產(chǎn)生干涉的部分，以箭頭所指的圖形區(qū)域進行顯示（見圖9）。在移動或旋轉(zhuǎn)零部件的Property manager的【選項】標簽中選擇【碰撞檢查】單選按鈕，可以指定碰撞檢查的方式：選擇【所有零部件之間】單選按鈕，運動過程中檢查裝配體中所有零部件的干涉情況；選擇【這些零部件之間】單選按鈕，僅對所選擇的零部件進行干涉檢查；選中【僅被拖動的零件】復選框，在圖形區(qū)域只顯示被拖動零件和其他零件的干涉情況；選中【碰撞時停止】復選框，在移動或旋轉(zhuǎn)零部件時遇到阻擋時停止運動，同時顯示受碰撞的部分。這樣便實現(xiàn)了碰撞檢測功能，使各部件不能相互穿越。

圖9 存在干涉

圖8 定義可運動范圍

3.4 實驗與性能分析

本軟件在教學應用中具有以下優(yōu)點：

（1）基于Solid Works的夾具參數(shù)化設計虛擬環(huán)境下的干涉檢驗，可有效地避免夾具元件之間的靜態(tài)、動態(tài)干涉，從而完成可裝配性分析，避免了復雜的計算，使學生了解了虛擬裝配的作用，實驗結果也可指導實際組合夾具的設計生產(chǎn)。

（2）實踐證明，通過建立三維參數(shù)化零件的設計方法可以進行高效的設計和干涉檢測，而且由于干涉檢測的零件信息來源于零件數(shù)據(jù)文件，從而保證了結果的準確性。

（3）將虛擬設計技術、參數(shù)化設計技術應用于組合夾具的整體設計思想中，集中體現(xiàn)了以高效設計為核心的虛擬制造的思想，綜合實現(xiàn)了CAD／CAE／CAM的集成，具有良好的實際應用前景。

4 結束語

組合夾具虛擬裝配系統(tǒng)具有靈活性、自主性、功能替代性、安全性及實現(xiàn)虛擬組裝效果逼真等優(yōu)點，故其在教學實踐中具有廣泛的應用前景，且組合夾具虛擬裝配實驗系統(tǒng)能將抽象事物具體化，活躍教學實踐氛圍，既可加強學生的基本功訓練，又能讓學生掌握現(xiàn)代科學知識。在現(xiàn)代夾具的主要發(fā)展方向上，組合夾具虛擬裝配系統(tǒng)因其靈活性、高效性、智能化也具有指導生產(chǎn)的重要作用。

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